«физика элементарных частиц. Большой адронный коллайдер»



Скачать 301.52 Kb.
страница1/5
Дата07.05.2013
Размер301.52 Kb.
ТипДокументы
  1   2   3   4   5
Проектная работа

по физике
«ФИЗИКА ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ.

БОЛЬШОЙ АДРОННЫЙ КОЛЛАЙДЕР».
Работу выполнила:

Зорина Екатерина,

ученица 10 класса

НОУ Школы «Образование плюс … 1».
Научный руководитель: Кононенко Е.С.
Москва, февраль 2010.
План работы.


  1. Физика элементарных частиц.



    1. Величины в ФЭЧ и их единицы измерения.

    2. Физические принципы детектирования элементарных частиц.

    3. Эксперименты на адронных коллайдерах.

    4. Хиггсовский механизм нарушения электрослабой симметрии.


  1. Большой адронный коллайдер.


2.1. Что такое LHC ?

2.2. Устройство LHC.

2.3. Задачи, стоящие перед LHC.


  1. Новости LHC.


1.Физика элементарных частиц.

Физика элементарных частиц изучает самую глубинную суть нашего мира. Она пытается найти ответы (хотя бы приблизительные!) на фундаментальные вопросы о свойствах материи, сил, пространства-времени.

Элементарные частицы живут по  другим законам, нежели окружающий нас «макроскопический» мир. Не зная эти законы, трудно понять, что же изучается на Большом адронном коллайдере. Поэтому, не стремясь охватить здесь всю физику элементарных частиц, мы расскажем лишь про некоторые явления в микромире, имеющие прямое отношения к экспериментам на LHC (БАК).

Величины в ФЭЧ и их единицы измерения.


Размеры.

В физике элементарных частиц изучаются атомные ядра и еще более мелкие частицы. Их размеры удобно выражать в фемтометрах (фм): 1 фм = 10–15 м. Эту единицу измерения называют также ферми: 1 ферми = 10–15 м = 1 фм.

Фемтометр в миллион раз меньше нанометра — типичного размера молекул. Размер протона или нейтрона как раз составляет примерно 1 фм. Существуют составные частицы, размер которых еще меньше; например, ипсилон-мезон, состоящий из кварк-антикварковой пары b–анти-b, имеет размер примерно 0,2 фм. Другие частицы (называемые фундаментальными), например кварки, электроны, нейтрино и т. д., пока считаются точечными; если они и имеют внутреннюю структуру, то эта структура проявится при размерах, меньших, чем тысячная доля фемтометра.

Времена.

В отличие от расстояний, характерные времена, использующиеся при описании превращений элементарных частиц, могут быть самые разные.

Для протон-протонных столкновений в качестве базовой единицы времени можно взять время, за которое частица с околосветовой скоростью проходит расстояние, равное размеру протона, — это составляет примерно 3·10–24 с. Эту единицу можно назвать типичным адронным масштабом времени.
Для сравнения, это примерно в миллиард раз меньше, чем период колебаний световой волны.

Когда два протона сталкиваются в коллайдере, именно в течение этого промежутка времени происходит рождение некоего высокоэнергетического сгустка материи и его распад на конечные частицы. Однако сами рожденные частицы могут жить намного дольше. Например, адроны, распадающиеся за счет слабого взаимодействия, живут пикосекунды, наносекунды и иногда даже больше. Рекордсмен тут нейтрон, чье время жизни в свободном состоянии составляет примерно 15 минут. Относительно большое время жизни этих частиц вызвано тем, что распадаются они не за счет сильного, а за счет слабого или электромагнитного взаимодействия. Такие частицы успевают пролететь до распада большие дистанции — миллиметры, метры и больше; эти метастабильные частицы регистрируются непосредственно в детекторе. Частицы, распадающиеся за счет сильного взаимодействия (так называемые адронные резонансы), живут в течение адронного масштаба времени. Такие частицы до детектора не долетают, и они изучаются по следам своего распада.

Энергии.

Энергии элементарных частиц измеряют в электронвольтах (эВ) и кратных единицах. По определению, 1 эВ — это энергия, которую приобретет электрон в электрическом поле при прохождении разности потенциалов в 1 вольт; 1 эВ примерно равен 1,6·10–19 Дж. Электронвольт удобен для описания атомных и оптических процессов. Например, молекулы газа при комнатной температуре имеют кинетическую энергию примерно 1/40 электронвольта. Кванты света — фотоны — в оптическом диапазоне имеют энергию около 2 эВ.

Явления, происходящие внутри ядер и элементарных частиц, сопровождаются гораздо большими изменениями энергии. Здесь уже используются мегаэлектронвольты (МэВ, 106 эВ), гигаэлектронвольты (ГэВ, 109 эВ) и даже тераэлектронвольты (ТэВ, 1012 эВ). Например, протоны и нейтроны движутся внутри ядер с кинетической энергией в несколько десятков МэВ. Энергия протон-протонных или электрон-протонных столкновений, при которых становится заметна внутренняя структура протона, составляет несколько ГэВ. Для того чтобы родить самые тяжелые из известных на сегодня частиц, топ-кварки, требуется сталкивать протоны с энергией около 1 ТэВ.

Между шкалой расстояний и шкалой энергии можно установить соответствие. Для этого можно взять фотон с длиной волны L и вычислить его энергию: E = c·h/L. Здесь c — скорость света, а h — постоянная Планка, фундаментальная квантовая константа, равная примерно 6,62·10–34 Дж·с. Это соотношение можно использовать не только для фотона, но и более широко, при оценке энергии, необходимой для изучения материи на масштабе L. В «микроскопических» единицах измерения, 1 ГэВ отвечает размеру примерно 1,2 фм.

Шкалу энергий можно также связать и со шкалой времен: E = h/T. Физический смысл этого соотношения в квантовой механике таков: процесс, сопровождающийся неопределенностью энергии E, длится примерно в течение времени T. Например, если частица распадается в течение типичного адронного масштаба времени, то неопределенность ее массы составляет порядка 1 ГэВ.

Массы.

Согласно знаменитой формуле Эйнштейна E0 = mc2, энергия покоя и масса тесно взаимосвязаны. В мире элементарных частиц эта связь проявляется самым непосредственным образом: при столкновении частиц с достаточной энергией могут рождаться новые тяжелые частицы, а при распаде покоящейся тяжелой частицы разница масс переходит в кинетическую энергию получившихся частиц. По этой причине массы частиц тоже принято выражать в электронвольтах (а точнее, в электронвольтах, деленных на скорость света в квадрате). 1 эВ соответствует массе всего в 1,78·10–36 кг. Электрон в этих единицах весит 0,511 МэВ, а протон 0,938 ГэВ. Открыто множество и более тяжелых частиц; рекордсменом пока остается топ-кварк с массой около 170 ГэВ. Самые легкие из известных частиц с ненулевой массой — нейтрино — весят всего несколько десятков мэВ (миллиэлектронвольт).

Частота событий.

Обсуждая вероятность того или иного процесса на коллайдере, физики обычно приводят две величины: сечение процесса и светимость коллайдера. Именно их произведение определяет, насколько часто происходит столкновение того или иного типа на данном коллайдере.

Сечение (или, по-старинному, эффективное сечение) — это, грубо говоря, та поперечная площадь в частице-мишени, в которую надо попасть налетающей частице, чтобы произошла нужная реакция. Однако не стоит понимать эти слова буквально: будто поверхность протона разделена на области: попадешь в одну — произойдет одна реакция, попадешь в другую — другая. Так могло бы быть в классической механике, но в мире квантовых частиц самые разные процессы протекают с какой-то вероятностью даже при совершенно идентичных столкновениях. Просто эти вероятности удобно выражать в виде неких сечений, отвечающих тому или иному процессу, и измерять их в единицах площади. Стандартная единица измерения сечений в физике элементарных частиц — барн (b); 1 b = 10–24 см2.

Светимость —это «инструментальная» характеристика коллайдера, характеризующая интенсивность пучков. Светимость зависит от количества частиц в каждом пучке и от того, насколько плотно частицы собраны. Чем больше светимость, тем чаще происходят столкновения частиц из встречных пучков.

Светимость выражается в см–2·с–1. Для того чтобы узнать, как часто (то есть сколько раз в секунду) будет происходить какой-то процесс на данном коллайдере, надо умножить сечение процесса на светимость коллайдера. Например, при проектной светимости LHC, равной 1034 см–2·с–1 процесс рождения хиггсовского бозона с массой 200 ГэВ, имеющий сечение 20 pb (= 2·10–35 см2), будет происходить со средней частотой один раз в пять секунд.

Далее, частота, с которой детектор будет регистрировать данный тип событий, обычно меньше частоты, с которой это событие происходит. Так получается потому, что вовсе не на каждое событие детектор «срабатывает» нужным образом, то есть у детектора неидеальная эффективность регистрации. Например, родившиеся частицы могут пролететь мимо детектора и избежать регистрации (впрочем, благодаря высокой герметичности современных детекторов вероятность этого мала). Либо энергия частицы одной из частиц может оказаться маленькой, и детектор просто не учтет эту частицу, примет ее за случайный шум. Либо детектор может неправильно идентифицировать рожденную частицу, приняв ее за другую и на основании этого отбросив событие как неинтересное.

Все эти процессы необходимо учитывать при сравнении реально полученных данных с теоретическими расчетами. Обычно это делается путем сложного численного моделирования процессов, протекающих внутри детектора при прохождении сквозь него частиц.

Наконец, число событий, отобранных для анализа какого-то конкретного процесса (то есть та статистика, на основе которой физики, например, заявляют об открытии новой частицы), обычно намного меньше числа реально зарегистрированных событий этого типа. Дело в том, что обычно искомые события происходят довольно редко, и их приходится вылавливать из мешанины самых разнообразных фоновых процессов. Для того чтобы увеличить надежность результатов, физики обычно отбирают только самые четкие события-кандидаты, наиболее непохожие на последствия фоновых процессов.
  1   2   3   4   5

Похожие:

«физика элементарных частиц. Большой адронный коллайдер» icon01. 04. 16 [Физика атомного ядра и элементарных частиц]
В основу настоящей программы положены следующие дисциплины: теория ядра, теория элементарных частиц, экспериментальная ядерная физика,...
«физика элементарных частиц. Большой адронный коллайдер» iconОстановить апокалипсис! Если набрать в Интернет-поисковике слова: «Большой адронный коллайдер»
Большого взрыва, породившего Вселенную. Этим они полагают получить важные сведения о законах физики частиц
«физика элементарных частиц. Большой адронный коллайдер» iconФизики ищут ключи к Богу. Часть 1-я Кто уже изначально придумал законы, которые мы открываем, и кто смоделировал мир, который мы пытаемся познать? Узнаем ли мы, кто все-таки создал Вселенную, если запустим Большой адронный коллайдер (бак)
Узнаем ли мы, кто все-таки создал Вселенную, если запустим Большой адронный коллайдер (бак)?
«физика элементарных частиц. Большой адронный коллайдер» iconЯдерная физика и физика элементарных частиц введение классификация элементарных частиц
Под элементарной частицей мы будем понимать частицу, которая способна испытывать взаимопревращения в различных типах взаимодействий...
«физика элементарных частиц. Большой адронный коллайдер» iconБольшой адронный коллайдер преподнёс физикам сюрприз
Среди сотен частиц, которые рождаются при столкновении протонов, обнаружились пары, движения которых связаны друг с другом. Теперь...
«физика элементарных частиц. Большой адронный коллайдер» iconМагистерской программы Наименование программы: «Физика элементарных частиц и космология»
«Физика элементарных частиц и космология», в рамках направления «Ядерные физика и технология»
«физика элементарных частиц. Большой адронный коллайдер» icon«Проблемы современной науки и Большой адронный коллайдер»
Выполнили: ученицы 11 класса Бакинова Байса Александровна, Кекеева Герел Арслановна
«физика элементарных частиц. Большой адронный коллайдер» iconТема: Большой адронный коллайдер
Фио: Кузнецов Дмитрий, Косарев Денис, Степанов Николай, учащиеся 11и/ф класса Лицея №387
«физика элементарных частиц. Большой адронный коллайдер» iconБольшой Адронный коллайдер
«адронным» — потому что он ускоряет протоны и тяжелые ядра, которые являются адронами (то есть частицами, состоящими из кварков),...
«физика элементарных частиц. Большой адронный коллайдер» iconРабочая программа по дисциплине Физика элементарных частиц для специальности 010400 «Физика специализации 010401 «Теоретическая физика»

Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org